聚乙烯管道热熔对接接头的超声相控阵检测

竺哲明,黄伟勇,郭伟灿

(1.绍兴市特种设备检测院,绍兴312071;2.浙江省特种设备检测院,杭州310020)

聚乙烯管道热熔对接接头的超声相控阵检测

竺哲明1,黄伟勇1,郭伟灿2

(1.绍兴市特种设备检测院,绍兴312071;2.浙江省特种设备检测院,杭州310020)

在研究聚乙烯管道热熔对接接头超声检测中超声波反射规律的基础上,提出对该接头使用超声相控阵检测技术。研制了基于相控阵聚焦和超声实时成像技术的超声自动检测系统,通过液体楔块的声阻抗匹配,克服了聚乙烯材料声衰减严重和检测界面声能损耗对超声检测造成困难的问题。通过制作典型缺陷的聚乙烯接头缺陷试样,进行了可靠性测试和工艺试验,结果表明,提出的超声相控阵检测技术能可靠地检测出聚乙烯热熔对接接头中的典型缺陷。

聚乙烯管道;热熔对接接头;缺陷分类;超声检测;超声相控阵技术

聚乙烯管道具有良好的耐腐蚀性能、力学性能、焊接性能和长达50 a的使用寿命,在城市给水、输气等领域得到广泛应用。热熔对接焊接是聚乙烯管道最主要的连接方式,管道焊接时由于环境、操作等因素容易出现各种缺陷,接头便成为聚乙烯燃气管道系统的薄弱环节[1]。由于材料和结构的差异,传统金属管道的无损检测技术并不适用于聚乙烯管道接头的检测。笔者根据聚乙烯热熔对接接头缺陷的形成机理、几何形态特征及其引起的失效形式,对缺陷进行了分类,再在此基础上,研究了接头中各类缺陷的超声反射规律,提出聚乙烯管道热熔对接接头的超声相控阵检测技术,并设计了通过液体楔块的检测装置,克服了聚乙烯材料声衰减严重和检测界面声能损耗对超声检测造成困难的问题。通过制作带有气孔、未熔合等各类典型缺陷的聚乙烯接头缺陷试样,进行了可靠性测试和工艺试验,结果表明,提出的超声相控阵检测技术和设计的检测装置能可靠地检测出聚乙烯热熔对接接头中的典型缺陷,从而提高聚乙烯管道系统的安全性。

1 聚乙烯管道热熔对接接头缺陷类型及超声反射规律

焊接接头是聚乙烯管道系统中最为薄弱的环节,在大量实地调研、人工缺陷解剖以及超声检测缺陷识别的基础上,根据聚乙烯热熔对接接头缺陷的成因、形态特征及其引起的失效形式,将缺陷系统地分为裂纹、孔洞、熔合面夹杂、工艺缺陷(包括冷焊、过焊、不对中、熔合面过短)四类[2]。工艺缺陷一般通过外观检验来判别,但裂纹、孔洞、熔合面夹杂缺陷位于接头内部,其中孔洞属于体积型缺陷,裂纹、熔合面夹杂属于面积型缺陷。对体积型缺陷,只要超声波主声束能够扫查到,反射回波通常能被探头接收到;而对面积型缺陷,当缺陷方向与声束轴线不垂直时,其反射回波受探头的指向性和缺陷指向性两者共同的影响,常规横波斜探头发射的超声波声束角度就不能改变,只能检测一定倾角范围内的面积型缺陷。当与假想波源的距离x≥N时(N为近场区长度),即当声程大于3N时,在声束轴线与界面法线所决定的入射平面内,超声场中的声压P(x,θ)可由式(1)决定[3]。

在聚乙烯中纵波声场声束轴线上的声压为:

式中:K为与波源初始声压P0有关的系数;Fs为波源的面积,mm2;D(θ)为假想波源在工件中发射的声束的指向性系数;λL2为第二介质中纵波波长,mm;x为轴线上某点至假想波源的距离,mm。

裂纹与熔合面夹杂属于面积型缺陷,其反射回波具有一定方向性。采用常用的斜射纵波技术检测与表面垂直的大裂纹或熔合面夹杂时,可将缺陷视作镜面反射,反射原理示意如图1所示。

图1 缺陷的镜面反射原理示意

应用镜像原理(如图2所示),当x≥3N,声束轴线与缺陷方向的倾角为γ时,其回波声压PL为:

当缺陷相对于声束轴线的斜角γ在探头－3 dB声束角θw以内,且θ≈γ时,缺陷的反射回波最大[4]。若θ在第二介质中纵波超声场的上、下半扩散角θ＋0和θ－0以外,则缺陷反射波减少。当γ在探头－3 dB声束角θw以内时,缺陷回波声压可近似为:

图2 镜像原理示意

从式(3)可以得出,镜面反射面积型缺陷的检测灵敏度主要取决于声束轴线与缺陷之间的倾角,当倾角大于－3 dB声束扩散角时,探头接收不到主声束的回波,检测灵敏度迅速减少。所以,单一横波斜探头只能检测一定深度范围内的具有镜面反射特性的面积型缺陷。图3为镜面反射时缺陷回波高度随入射角变化的规律[5],垂直入射时相对回波波高为80 dB,当声波入射角为2.5°时,相对回波波高下降到60 dB,倾角为12°时,相对回波波高下降到20 dB,此时仪器已不能检出缺陷。

图3 缺陷回波高度随入射角变化的规律

2 热熔接头的超声相控阵检测

传统的脉冲反射技术中声束方向不能改变,而采用相控阵探头可以实现声束的偏转或偏转聚焦,在不更换探头的情况下,在同一位置可实现检测区域的多角度扫查,并对不同方向的面积型缺陷进行检测[6]。对聚乙烯管道热熔对接接头超声检测而言,由于聚乙烯材料的声学特性以及聚乙烯管道热熔对接接头的结构形状,采用相控阵超声聚焦方法对其进行检测具有独特的优点:可以在较大范围内实现焦点位置和焦点尺寸的动态可调;可保证在整个声程范围内取得较为一致的检测分辨力,同时也可提高检测速度。

聚乙烯热熔对接接头相控阵技术采用相控阵列偏转聚焦扫查,相控阵列偏转聚焦扫查的基本原理是对相控阵列探头晶片进行延时控制,合成所需波束。其优点是可以增大检测范围,缺点是会增大旁瓣和主瓣宽度,偏转角度过大则会引起栅瓣效应。图4为相控阵列偏转聚焦示意。

图4 相控阵列偏转聚焦示意

图4 中,d为相邻阵元的间距,θ为偏转角,F为聚焦点,f为中心阵元到聚焦点的距离。由几何关系可得:

第i个阵元与中心阵元的声程差为:

因此可以得到第i个阵元相对于中心阵元的延时值Ti:

式中:t为常数(避免产生负的延时值);c为声速。

根据式(7)计算得到的延时值,运用电子技术,按计算得到的时序控制(聚焦法则)激发相控阵各阵元,使阵列中各阵元发射的超声波通过叠加形成一个新的波阵面,在效果上相当于改变了换能器的空间排列形式,达到超声波声束偏转和特定位置聚焦的目的[7]。同样,在反射波的接收过程中,按一定聚焦法则控制接收阵元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示,由此实现超声波声束的动态聚焦。

3 热熔对接接头液浸耦合技术

为了避免聚乙烯管表面曲率对耦合的影响,通常需要将探头修磨成曲面形状以匹配管子表面,因为管子直径存在误差,探头的曲面难以完全匹配管子表面,所以超声波表面耦合时损失增大。笔者设计了一种液浸耦合技术的相控阵探头装置,以声速和声阻抗与聚乙烯材料相匹配的特殊耦合剂液体来代替固体楔块,液浸耦合相控阵线阵列斜聚焦技术原理如图5所示。笔者通过水、甘油、水玻璃和海藻酸钠四种物质,采用超声机械振动同时结合化学乳化方法配制成多元混合液[8]。配制的耦合剂声速随温度变化的规律与聚乙烯材料基本一致,且在检测过程中不会因为温度变化而使超声波折射角发生变化。图6为新配制的特殊耦合剂和PE80材料的声速随温度的变化曲线,从图中可以看出,新配制的特殊耦合剂的声速随温度变化的规律与PE80材料基本一致。

图5 液浸耦合相控阵线阵列斜聚焦技术原理示意

由于聚乙烯材料的声速随温度升高有规律的减小,因此选择声速随温度变化与聚乙烯材料有相同或相近规律的斜楔。楔块角度可以按下式设计[]:

式中:β1,β2为工件中需要的折射角度。

采用CIVA软件对超声相控阵探头发射声场进行计算,当液体耦合楔块的物理角度为30°,在聚乙烯材料中偏转角度分别为45°,60°时声场仿真如图7所示。从CIVA声场仿真可以得出,超声波通过耦合剂/聚乙烯界面声能损耗较小,声束偏转越接近楔块的物理主声束角度,声束就越均匀,分辨率越好[10]。通过液体耦合楔块可以减少晶片的延时补偿,尤其是通过相控阵超声聚焦技术和液浸耦合技术相结合,从声束聚焦和界面耦合匹配两个方面来提高检测灵敏度和可靠性,从而可最大限度地克服聚乙烯材料衰减大和热熔对接接头结构形状限制等超声检测的难点。

图7 楔块角度为30°时不同偏转角声场仿真结果

4 检测装置与试验

笔者在聚乙烯热熔对接接头缺陷分类研究的基础上,加工了大量带有典型缺陷的聚乙烯热熔对接接头试样。图8为缺陷试样外观。

图8 缺陷试样外观

针对聚乙烯热熔对接接头规格,笔者设计了聚乙烯热熔对接接头超声相控阵检测装置,检测装置外观如图9所示,装置包括相控阵主机和与之相连接的聚焦装置、耦合剂盛装装置、相控阵探头、自动扫查装置、AC/DC适配器、扫查控制器等部件。通过对相控阵探头斜声束聚焦和电子线纵向扫查、周向机械扫查的位置信息和相控阵探头接收的超声波信号进行处理,在显示器上形成实时C扫描图像。采用专业软件可实现C扫描中相控阵电子扫查和探头周向机械扫查的同步和精度控制、超声信息与位置信息的一致性控制,从而保证检测结果的可靠性。通过制作包含各类典型缺陷的试样接头,对超声检测技术和装置进行可靠性测试和工艺试验,对超声检测到的缺陷部位进行实物解剖,观察缺陷剖面的形态特征。图10为孔洞缺陷的超声检测和实物解剖结果。图11为熔合面夹杂缺陷的超声检测和实物解剖结果。对照超声相控阵检测和实物解剖结果,提出的超声相控阵技术和设计的检测装置能可靠地检测聚乙烯热熔对接接头中气孔、熔合面夹杂等各类典型缺陷。

图9 超声相控阵检测装置外观

图10 孔洞缺陷的超声检测和实物解剖结果

5 结语

(1)在聚乙烯管道热熔对接接头缺陷分类研究的基础上,提出了聚乙烯管道热熔对接接头超声相控阵检测技术,并与液体楔块技术相结合,克服了聚乙烯材料声衰减严重和检测界面声能损耗给超声检测带来的困难。

The Phased Array Ultrasonic Testing of Butt Fusion Joint in Polyethylene Pipe

ZHU Zhe-ming1,HUANG Wei-yong1,GUO Wei-can2
(1.Shaoxing Special Equipment Testing Institute,Shaoxing 312071,China; 2.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute,Hangzhou 310020,China)

Polyethylene(PE)pipe has been widely used for the transportation of gas in cities because of its excellent corrosion resistance,good mechanical properties and longer service life.Fusion welding is one of the main connection methods of polyethylene pipe.On the basis of the research on the ultrasonic reflection of different type defects in the joint,the phased array ultrasonic technique is presented.An automatic ultrasonic testing system is designed and fabricated with phased array electronic focusing technique and real-time imaging technique,which is comprehensively to integrate impedance matching with acoustic coupling technique,with the purpose of overcoming the detecting difficulty caused by the attenuation of PE and transmitting loss at interface.The reliability and process performance are tested through detecting PE joints with typical defects.It is shown that the phased array ultrasonic technique presented in the paper is applicable for detecting typical defects in of butt fusion joint in Polyethylene Pipe.

Polyethylene pipe;Butt fusion joint;Classification of defect;Ultrasonic testing;Ultrasonic phased array technique

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0038-05

10.11973/wsjc201701010

2016-02-06

竺哲明(1972－),男,本科,工程师,主要从事承压类设备检验检测工作。

竺哲明,E-mail:zhezheming＠sina.com。